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Präziser fertigen - Kompensationsfunktionen

Für exzellente Werkstückoberflächen bietet Siemens eine Reihe von Kompensationsfunktionen für die SINUMERIK, die zu besseren Ergebnissen bei der Bearbeitung führen.

Kompensationsfunktionen

Systematische, maschinenspezifische Abweichungen bei Werkzeugmaschinen werden bei einer professionellen Inbetriebnahme erfasst und über Einstellungen an der CNC-Steuerung abgebildet. Doch auch im späteren Betrieb können sich durch Umgebungsfaktoren wie Temperatur oder mechanische Belastungen noch Abweichungen ergeben oder verstärken. Für diese Fälle bietet die SINUMERIK eine Vielzahl von Kompensationsfunktionen, die sich untereinander ergänzen. Über die Lage-Istwert-Geber sowie zusätzliche Sensoriken und Messungen können sie die gemessenen Abweichungen ausgleichen und so zu besseren Ergebnissen führen. Nützliche SINUMERIK-Zyklen wie der "CYCLE996 - Kinematik vermessen" unterstützen den Endanwender bei der kontinuierlichen Kontrolle und Wartung der Maschinen.

Lose-Kompensation

Bei der Kraftübertragung zwischen einem bewegten Maschinenteil und dessen Antrieb, zum Beispiel einer Kugelrollspindel, treten kleine Lose auf, da eine völlig spielfreie Einstellung der Mechanik den Maschinenverschleiß stark erhöhen würde und auch fertigungstechnisch nicht zu realisieren ist. Mechanische Lose verfälschen bei Achsen/Spindeln mit indirekten Messsystemen den Verfahrweg. So fährt die Achse beispielsweise bei Richtungsumkehr um den Betrag der Lose zu kurz oder zu weit. Auch der Maschinentisch sowie der zugehörige Geber sind betroffen: Eilt der Geber dem Maschinentisch voraus, wird die gemessene Istposition früher erreicht, der Verfahrweg der Maschine ist also faktisch zu kurz. Während des Betriebs der Werkzeugmaschine werden die zuvor erfassten Abweichungen automatisch aktiviert und mittels der Lose-Kompensation auf die entsprechenden Achsen bei Richtungsumkehr dem Lage-Istwert zugeschaltet.

Spindelsteigungsfehler-Kompensation (SSFK)

Das Messprinzip der indirekten Messung bei CNC-gesteuerten Maschinen geht davon aus, dass an jeder Stelle innerhalb des Verfahrbereichs die Steigung der Kugelrollspindel konstant ist und so im Idealfall die Istposition der Achse von der Position der Antriebsspindel abgeleitet wird. Aufgrund der Fertigungstoleranzen bei Kugelrollspindeln kommt es jedoch zu Maßabweichungen, den sogenannten Spindelsteigungsfehlern. Verstärkt wird das Problem noch durch die vom verwendeten Messsystem abhängigen Maßabweichungen sowie dessen Montagetoleranzen an der Maschine, die sogenannten Messsystemfehler. Um diese beiden Fehler zu kompensieren, wird die natürliche Fehlerkurve der CNC-Maschine mittels eines separaten Messsystems gemessen (Laservermessung) und die erforderlichen Korrekturwerte werden in der CNC gespeichert.

Reib-Kompensation (Quadrantenfehler-Kompensation)

Die Quadrantenfehler-Kompensation (auch Reib- Kompensation genannt) sorgt vor allem bei der Bearbeitung von Kreiskonturen für eine deutliche Erhöhung der Konturgenauigkeit. Der Grund: An den Quadrantenübergängen bewegt sich eine Achse mit der maximalen Bahngeschwindigkeit, während die zweite Achse steht. Wegen unterschiedlicher Reibverhältnisse der Achsen können so Konturfehler entstehen. Die Quadrantenfehler-Kompensation gleicht dieses Fehlverhalten zuverlässig aus und ermöglicht bereits im ersten Bearbeitungsdurchgang hervorragende Ergebnisse ohne Konturfehler. Die Intensität des Korrekturimpulses kann entsprechend einer Kennlinie in Abhängigkeit von der Beschleunigung eingestellt werden. Diese Kennlinie wird mithilfe des Kreisformtests bestimmt und parametriert. Beim Kreisformtest werden während des Abfahrens einer Kreiskontur die Abweichungen der Istposition vom programmierten Radius (insbesondere an den Quadrantenübergängen) messtechnisch erfasst und grafisch dargestellt.

Winkel- und Durchhang-Kompensation

Die Durchhang-Kompensation kommt zum Einsatz wenn der Gewichtseinfluss einzelner Maschinenelemente zu einer stellungsabhängigen Verlagerung und Neigung der bewegten Teile führt, da sich entsprechende Maschinenteile einschließlich der Führungen durchbiegen. Die Winkligkeitsfehler-Kompensation wird verwendet, wenn Bewegungsachsen nicht genau im gewünschten Winkel (zum Beispiel senkrecht) zueinander stehen. Dies führt mit zunehmender Auslenkung aus der Null-Lage zu wachsenden Positionierfehlern. Beide Fehlerarten können sowohl durch das Eigengewicht der Maschine als auch durch Werkzeuge und Werkstücke entstehen. Die gemessenen Korrekturwerte werden bei der Inbetriebnahme messtechnisch ermittelt und positionsbezogen in der SINUMERIK hinterlegt, zum Beispiel in Form einer Kompensationstabelle. Im Betrieb der Werkzeugmaschine wird die entsprechende Achse zwischen den Stützpunkten der Tabellenwerte linear interpoliert. Dabei gibt es pro Interpolationsverbund immer jeweils eine Basisachse und eine Kompensationsachse. Ist die Rechtwinkligkeit der Y-Achse im Interpolationsverbund der X- und Y-Achse nicht gegeben, so wird diese Ungenauigkeit mit der X-Achse im Interpolationsverbund kompensiert.

Temperatur-Kompensation

Durch Wärmeeinfluss kommt es zur Ausdehnung von Maschinenteilen. Diese Ausdehnung ist unter anderem abhängig von der Temperatur und der Wärmeleitfähigkeit der Maschinenteile. Durch unterschiedliche Temperaturen ändern sich die Istpositionen der einzelnen Achsen, was sich negativ auf die Genauigkeit der bearbeiteten Werkstücke auswirkt. Diese Istwertveränderungen lassen sich mit der Temperatur-Kompensation ausgleichen. Dabei können für jede Achse Fehlerkurven für verschiedene Temperaturen definiert werden. Um bei Temperaturänderungen die Wärmeausdehnung stets richtig zu kompensieren, müssen die Parameter Temperatur-Kompensationswert, Bezugsposition und Geradensteigungswinkel über Funktionsbausteine stets neu von der PLC an die CNC-Steuerung übergeben werden. Sprungförmige Parameteränderungen werden dabei von der Steuerung automatisch geglättet, um Überlastungen der Maschine und das Ansprechen von Überwachungen zu vermeiden.

Volumen-Kompensation (VCS)

Bedingt durch die Lage der Rundachsen, ihren gegenseitigen Versatz sowie die Orientierung des Werkzeugs, weisen zum Beispiel Drehschwenkköpfe systematische geometrische Fehler auf. Außerdem sind bei jeder Werkzeugmaschine geringfügige Fehler im Führungssystem der Vorschubachsen festzustellen: bei Linearachsen lineare Positionsfehler, horizontale und vertikale Geradheitsfehler sowie Rollen, Nicken und Gieren. Weitere Fehler treten in der Ausrichtung der Maschinenkomponenten zueinander auf, zum Beispiel als Rechtwinkligkeitsfehler. Bei einer 3-achsigen Maschine sind das bereits 21 Geometriefehler, die sich am Werkzeughalter aufsummieren: sechs Fehlerarten je Linearachse mal drei Achsen plus drei Rechtwinkligkeitsfehler. Diese Abweichungen überlagern sich zu einem Gesamtfehler, der volumetrischer Fehler genannt wird.

Der volumetrische Fehler beschreibt dabei die Abweichung der Position des Tool Center Points (TCP) der realen, fehlerbehafteten Maschine von der einer gedachten idealen, fehlerfreien Maschine. SINUMERIK Solution Partner können volumetrische Fehler mithilfe von Laser-Messgeräten ermitteln. Dazu müssen alle Maschinenfehler im gesamten Bearbeitungsraum vermessen werden. Das Messen einzelner Maschinenfehler genügt jedoch nicht. Aufgenommen werden immer ganze Messkurven, da einzelne Fehlergrößen abhängig sind von der Position der jeweiligen Vorschubachse und vom Messort. Zum Beispiel fallen der X-Achse zugeordnete Fehler an ein- und derselben X-Position anders aus, wenn die Y- und Z-Achse eine andere Position einnehmen. Mithilfe des"CYCLE996 - Kinematik vermessen" lassen sich Fehler der Rundachsen in nur wenigen Minuten ermitteln. Auch im Produktionsbetrieb kann so die Genauigkeit der Maschine permanent geprüft und gegebenenfalls korrigiert werden.

Schleppfehler-Kompensation (dynamische Vorsteuerung)

Als Schleppfehler wird die bleibende Regelabweichung des Lagereglers beim Verfahren einer Maschinenachse bezeichnet. Der axiale Schleppfehler ist die Differenz zwischen der Sollposition und der Istposition der Maschinenachse. Der Schleppfehler führt insbesondere bei Beschleunigungsvorgängen an Konturkrümmungen, zum Beispiel Kreisen und Ecken, zu einem unerwünschten, geschwindigkeitsabhängigen Konturfehler. Durch den NC-Hochsprachenbefehl "FFWON" im Werkstückprogramm wird der geschwindigkeitsabhängige Schleppfehler beim Bahnfahren gegen Null reduziert. Das Fahren mit Vorsteuerung ermöglicht eine höhere Bahngenauigkeit und damit bessere Fertigungsergebnisse.

Syntax:

  • FFWON: Befehl zum Einschalten der Vorsteuerung

  • FFWOF: Befehl zum Ausschalten der Vorsteuerung


Elektronischer Gewichtsausgleich

Um in Extremfällen das Absacken von Achsen und Beschädigungen an Maschine, Werkzeug oder Werkstück zu verhindern, gibt es den sogenannten elektronischen Gewichtsausgleich. Bei gewichtsbelasteten Achsen ohne mechanischen oder hydraulischen Gewichtsausgleich senkt sich die hängende Achse nach dem Lösen der Bremse und dem Zuschalten der Reglerfreigabe. Diese unerwünschte Absenkung der Achse kann durch Aktivierung des elektronischen Gewichtsausgleichs kompensiert werden. Wird die Bremse gelöst, hält das anstehende konstante Gewichtsausgleichsdrehmoment die Position der hängenden Achse.